毕业论文《架桥机研究报告—DF900型架桥机结构分析》

架桥机研究报告

—DF900型架桥机结构分析

精品教 师 姓 名 日 期 2012年3月 西南交通大学峨嵋校区机械工程系

摘 要

高速铁路已成为世界铁路发展的大趋势，在某种意义上体现了一个国家的技术水平和经济实力。在高速公路的建设过程中，采用高架桥的线路里程一般占线路总长的一半或更多，高架桥均采用整孔箱形梁结构，箱梁自重一般左右，采用预制整孔架设施工法对保证质量和工期具有明显优势，因此，级的高速铁路架桥机则成为了高速铁路建设至关重要的施工装备。本文所研究的 型架桥机即为满足上述要求的高吨位箱梁架桥机。

架桥机是在复杂工况下工作的一种大型起重专用设备，由于架设的梁体重量较大，架设过程中所面临的工作环境和受力情况较为复杂，受多种因素影响，传统的结构设计只能以简化方式对架桥机结构从总体上做粗略的分析。在计算复杂结构部分的应力时，很难给出满意结果。本文利用软件，结合结构力学知识，对架桥机在工作过程中出现的各种情况进行理论分析和数值模拟。

论文通过分析国内外的架桥机的现状，提出了 级的高速铁路架桥机整体方案，并针对在架桥机的主要部件进行计算分析，将有限元分析软件应用于其中，对架桥机的各种载荷和内应力计算、校核。完成了架桥机的总体计算、主梁强度计算。

关键词：架桥机；；高速铁路；有限元

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目 录

摘 要 ........................................................................................................ 1 目 录 ........................................................................................................ 1 第一章 绪论 .............................................................................................. 1

1-1、国内外发展现状 .......................................................................... 1 1-2、架桥机分类 ................................................................................. 1 1-3、900t级客专架桥机概述 ................................................................ 2

1-3-1、组成及功能 ....................................................................... 2 1-3-2、主要特点 ........................................................................... 3 1-3-3、架桥机架梁程序 ................................................................. 3

第二章 技术方案 ....................................................................................... 5

2-1、设计原则 .................................................................................... 5 2-2、设计要求 .................................................................................... 5 2-3、设计优化 .................................................................................... 5 2-4、本文设计内容 .............................................................................. 6 第三章 总体设计 ....................................................................................... 7

3-1设计依据 ....................................................................................... 7 3-2、主要技术参数 .............................................................................. 7 3-3、主要结构设计 .............................................................................. 8

3-3-1、 主体结构 ......................................................................... 8 3-3-2、 起升系统 ......................................................................... 8 3-3-3安全装置 ............................................................................. 9

第四章 设计计算 ..................................................................................... 10

4-1、计算依据 .................................................................................. 10 4-2、支反力计算 ............................................................................... 10 4-3、结构计算 .................................................................................. 11

4-3-1、倾覆稳定性计算 ............................................................... 11 4-3-2、主梁结构计算 .................................................................. 12 4-3-3、起重天车计算 .................................................................. 13

第五章 静力分析 ..................................................................................... 17

5-1、工况说明 .................................................................................. 17 5-2、各工况的载荷分析 ..................................................................... 17 5-3、有限元分析 ............................................................................... 17

5-3-1、简介 ............................................................................... 17 5-3-2、架桥机结构分析 ............................................................... 18

第六章 拼装、应用 .................................................................................. 24

6-1、拼装设计 .................................................................................. 24 6-2、应用设计 .................................................................................. 25 结 论 ...................................................................................................... 26 参考文献 ................................................................................................. 27

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第一章 绪论

1-1、国内外发展现状

随着我国国民经济的高速发展，国家对桥梁、铁路等大型公共设施进行了大力度的投资和建设，加速促使了我国路桥机械工业的自行开发和研究。在近十多年中，我国架桥机的设计和生产行业异军突起，成功地完成了诸多公路、铁路及桥梁的架设工程，硕果累累。尤其是在近几年里，架桥机的设计单位由三足鼎立（铁道部武汉工程研究所、郑州大方公司、江西日月明公司）的态势发展成多极化的产业形式，发展迅速，市场呈现一片欣欣向荣的景象。目前国内已经拥有众多的架桥机的生产厂家，通过良性竞争，不仅在技术上得到了很大的提升，还有利于价格机制的形成。 就其功能来说，架桥机是将预制好的钢筋混凝土（或预应力混凝土）梁（或梁段）吊装到预定的位置上。由于它必须受到现场地势情况、梁重量以及相邻桥墩的跨度等多方面因素的影响，因而造就了架桥机在设计和施工上的难度。针对不同的工作环境，就需要有满足相应生产条件的架桥机，这不仅是行业上的一大挑战，同时也使得各种各样的架桥机应运而生。

1-2、架桥机分类

（1）导梁式架桥机

双导梁式架桥机最突出的特点是主机单跨简支架梁、下导梁支跨一跨跨径，整机受力明确、合理，自重轻，临时施工荷载小。主机呈简支状态过孔，作业稳定性好；下导梁高位设置，解决了最后一孔桥梁的架设。特别值得一提的是双导梁式架桥机的过孔方式，回避了以往下导梁式架桥机拖拉下导梁过孔的作业模式，而是采用了主机在下导梁上自行就位，巧妙的利用上导梁、吊梁行车和辅助行车实现下导梁的吊运过跨，具有施工操作简单明了的特点。由于双导梁式架桥机主机之辅助支腿与主梁是固定位置固结(按架设35m梁位置确定)，在架设30m及25m梁主机过孔作业时，辅助支腿将位于下导梁支腿之外，下导梁自重不足以平衡辅助支腿产生的倾覆力矩，因此，下导梁必须在桥墩上进行可靠锚固，为该机型不足之处。 （2）无导梁式架桥机

无导梁的架桥机采用架桥机直接过孔，作业程序明显较导梁式架桥机要简洁，作业效率高于导梁式架桥机，但无导梁的架桥机过孔作业时一般均呈悬臂 状态，设计时需非常慎重地考虑纵向稳定性，并应把各种最不利因素综合考虑，毕竟过孔作业是架桥机架梁作业中一个比较危险的工况。 （3）步履式架桥机

步履式架桥机主结构部分由主梁、可以前后移动的前腿、可以向上翻折的中腿和可以向两侧打开的后腿组成。两跨简支，两天车吊梁前行就位架设桥梁。该机由于采用两跨简支架梁，导致整机自重大，自重约占吊重的80％，因此产生的临时施工荷载也比较大，尤其是在架设第1孔桥时，由于其后腿将支立在路基上，必须对路基进行特殊处理(在路基中埋设混凝土块)方可满足临时旋工荷载的要求。

（4）运架一体式架桥机

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运架一体式架桥机可以自行吊运、架设箱梁，省去了运梁车，但桥梁架设与桥梁运输不能同步进行，作业效率较低。运架一体式架桥机为轮胎自行式结构，具有转场灵活的特点，应比较适合于桥群标段的旌工，但由于路基承载能力和路基基床表层对轮压有相应的要求，走行系的轴线和轮对必须以满足路基和路基基床表层的要求来设置，而不能以满足架桥机吊运箱梁来设置。应用于秦沈客运专线的运架一体式架桥机额定吊重为550t，设置为前后各5轴线，共10轴线、40个轮胎。当架设桥梁达到900t以上时，则必须增加走行轴线，预计将增加到16轴线、64个轮胎，且需选用大规格的轮胎方可满足接地比压不超过0.6MPa的要求。架桥机总长度将因增加走行轴线而被追加大，从而使转弯半径增大，因轮胎加大而增加高度。这两点将致使该机的作业灵活性下降。 （5）架造一体式架桥机

架造一体机是在下导梁式架桥机基础上发展起来的一种新机型，该机集架设整孔箱梁和造桥施工于一身。架造一体机主要由主机(由主梁、前支腿、后支腿和吊重系统组成)、下导梁、模板托架和模板等部分构成。架桥施工时无需配置模板托架和模板，与下导梁式架桥机作业相同；造桥施工时需在下导梁上安装模板托架，并配置模板，可以进行节段拼装和整孔现浇施工。架造一体设置有下导梁，具有作业安全可靠的特点，但是，最后3孔梁的架设也必须采取辅助措施。

（6）一跨式架桥机

一跨式架桥机是意大利Nic01a公司在步履式架桥机的基础上推出的一种机型，该架桥机由主梁、可以前后移动的前支腿、O形的中支腿、可以向上翻折的后支腿和起吊系统等部分组成。该机型与步履式架桥机相比，虽然主梁依然为两跨的长度，但其实现了单跨简支架梁，使主粱的断面尺寸和重量大大减轻。该机架设桥梁为单跨简支作业，整机受力明确、合理，与步履式架桥机两跨简支架梁相比是一种进步。但该机进行过孔作业时呈大悬臂状态，纵向倾覆力矩较大，尤其是前支腿向O形支腿处移动过程中，其纵向倾覆力矩远大于稳定力矩，必须利用可行至主梁尾部的吊梁行车与已架桥梁可靠锚碇，前支腿达到O形支腿处方可解除锚碇、架桥机进行过孔作业。同样，架桥机走行到位，前支腿前行前，也必须再次利用吊梁行车与已架桥梁可靠锚碇。同时，过孔作业也略显复杂。

1-3、900t级客专架桥机概述

目前，我国正开展大规模的高速铁路建设，而新修线路在60%以上都是桥梁。为了满足高速行车的需求，桥梁结构普遍采用整孔预制箱梁，并用架桥机架设。由于桥梁所经地区情况千差万别，所以架桥机都是针对特定线路设计、制造，以提高桥梁施工的质量和效率。特别是大吨位的、能适应不同跨度的架桥机需求旺盛。而本项目针对DF型，研究其结构组成，以满足复杂工况下架桥机的结构和强度要求。

1-3-1、组成及功能

DF900型架桥机结构主要由主梁、后支腿、中支腿、辅助支腿、前、后天车等主体结构与运梁台车组成。 （1）主梁结构

主梁为两片箱型纵梁和六根箱型横梁组成的整体简支承载梁，采用拼装法兰连接和焊接。主梁前后两端设置有横联，将两片主梁连接为一个整体。主梁

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是架桥机的直接承受载荷的主要构件，在保证强度和刚度的条件下尽可能减轻其自重。 （2）后支腿

后支腿为闭式O型结构，满足喂梁净高、净宽需要，上部和主梁固接，下部和走行台车联结，架梁时由专用装置受力，设置液压千斤顶，实现受力装置与走行台车的转换。后支腿台车运行为单轨方式，轨道采用起重机轨，走行轨距按箱梁腹板中心设置，使箱梁合理受力。走行轨道利用设置于后支腿的卷扬机和设至于前支腿的导绕滑轮进行拖拉，极大程度的方便施工。 （3）中支腿

中支腿为主梁前支撑点，设有固定节、折叠节和调整节，以满足桥梁纵坡、变跨作业和最后一孔桥梁架设需要。固定节上部设有移位滚轮，可以沿主梁下盖板纵向移位，满足变跨需要。架粱状态移位滚轮与主梁脱离，中支腿与主梁铰接，架桥机简支架粱，受力明确。中支腿下部为折叠节，在架设最后一孔梁对向两侧折起，使中支腿可以支立在桥台上，实现最后一孔梁架设。调整节用于在变跨作业时调整由于梁高不同而要求前支腿长度不同的需要。 （4）辅助支腿

辅助支腿在架桥机变跨前行时作为临时支撑点，与主梁刚性连接。在中之腿到位后，辅助中之腿定位。 （5）运梁台车

运梁台车由独立的前后两组单线双轨台车组成，DF型系列要求沿已架设完毕的混凝土箱梁上运行，通过前、后天车和运梁台车的配合完成架桥机提升混凝土箱梁。

1-3-2、主要特点

DF900型架桥机是典型的无导梁架桥机。架设桥梁时，运梁车运输桥梁，运架分体，运梁与架梁平行作业，作业效率高。中支腿设置伸缩节和活动节，使架桥机完全能够适应坡道、变跨施工，且操作方便。

DF900架桥机单跨简支架梁，受力明确、架梁安全可靠。作业程序简单明了，整机纵、横向稳定性好。辅助支腿能够根据所架桥跨变换工作位置，使主梁纵向倾覆力矩降低至最小值，不需在墩顶设置锚固即可满足工作需要。架桥机架梁作业和过孔作业采用变频调速，起升系统三点起吊梁体，并可左右横向移梁，极大程度满足作业的精度和施工操作的便利。无导梁的架桥机采用架桥机直接过孔，作业程序明显较导梁式架桥机要简洁，作业效率高于导梁式架桥机。

1-3-3、架桥机架梁程序

DF900型架桥机在正常施工过程中主要有以下几种工作状态。

（1）运梁车驮运混凝土梁至后支腿附近，前天车将混凝土梁的前端吊起； （2）前天车拖动混凝土梁运行至跨中(混凝土梁的后端在运梁车上运行)； （3）运行到跨中适当位置后，后天车吊起混凝土梁的后端；

（4）前后天车同步前行，将混凝土梁运至落梁位置，并放置混凝土梁；

（5）中支腿固定不动，后支腿沿着已架设完毕的桥梁上的轨道前行，使辅助支

腿到下一个桥墩处固定，中支腿提起走向下一个桥墩支撑代替辅助支腿，辅助支腿收起，后支腿继续前行到桥梁边上；

（6）运梁车驮运下一个混凝土梁，如此循环完成连续架设任务。

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根据上面的分析过程，我们拟设计的架桥机的具体工作过程流程图如图1—1所示： 天车系统开始 S1：前后均在尾部设定位置 S2：前天车吊具下放 S3：前天车吊具下放， 钩住梁 S3：前天车吊具上升,抱死 S4：前天车走行，停止 图1—1 精品

S5：后天车吊具下放 S6：后天车吊具下放，钩住梁 S7：后天车吊具上升,抱死 S8：前后天车一起前行 S9：前后天车停止，落梁 架桥机架梁工作流程

S10：梁到位，松开吊具，吊上升 S11：前后天车左向S12：后天车碰到触点、停S13：前天车碰到触点、停其他过程

第二章 技术方案

2-1、设计原则

1、 2、 3、

适应复杂工况下的结构要求。 符合起重设备设计规范。

以架桥机架梁施工的高效率和高质量为设计目标。

2-2、设计要求

900t级高速铁路架桥机属于一种大型的特种起重设备，其方案的确定除应符合起重设备的一般要求之外，还必须与铁路施工的特点紧密结合。方案的确定首先应保证施工作业的合理性和架桥机受力的合理性，也即保证作业的安全性，其次是应使作业尽可能方便，减轻劳动强度。

架桥机作业的安全性体现在两个方面，一是架梁作业的安全性，一是架桥 机过孔作业的安全性。

2-3、设计优化

（1）能实现整机吊梁横移。采用整机吊梁横移或是利用架桥机自身的横移机构实现“空中移梁”，将会逐步取代墩顶移梁方式。目前的架桥机基本上都能做到这一点。

（2）步履式自行纵移。架桥机自行纵移是指仅依靠架桥机自身的纵移机构，而不是利用其他辅助机具来实现纵向移动就位。同样是自行纵移，但不同的支撑方式却产生了不同的纵移方法，并导致不同的效果，这部分是国内架桥机主要区别之所在。如北戴河通联桥机厂与郑州大方桥机厂的纵移方式就不一样。拖拉纵移目前采用较多，特别用在导梁式架桥设备上，但辅助工序复杂，在较大跨度桥梁施工中由于导梁悬臂挠度较大，纵移时前支腿上墩困难。采用的步履式纵移方式可将其四个支腿作为架桥机的支撑机构，通过相互间的有序换步来实现步履纵移

（3）能适应纵坡，横坡及曲线上的架梁要求。在适应曲线桥梁架设方面，单导梁式架桥机比双导梁式架桥机更具有发展前途。但由于存在单向横坡，桥宽两侧的水平高差相当大，有时达到2m以上。在施工中，除了采取适当调整枕木垫高方法之外，还需要架桥机自身能够实现支腿高度调整，以保证架桥机基本处于水平状态。

（4）自重轻，利用系数高。架桥机起重量与自重之比为利用系数，这是评价架桥机综合性能的一个重要指标，一般认为应大于0．4。选择先进、合理的结构形式，十分重要，主导梁作为架桥机的主要钢结构，极为重要，其界面形式有多种，如：三角形桁架、箱型截面、11形截面等；本此研究架桥机为箱梁结构形式较多，因为不仅自重轻，受力性能优良，侧向抗扭刚度大，而且外形美观，倍受推崇，应用较为广泛。采用优化设计与结构有限元分析方法来减轻结构重量，是提高利用系数的主要途径之一。

（5）系统安全可靠。架桥机不同于一般的施工机械，属于特种设备，始终应将安全放在首位。从国内近二十年来发生的架桥机历次重大事故中，我们可以看

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到基本上不外乎整机在斜桥上溜车、横向倾覆、过孔时支腿失稳而导致整机倾覆等。

2-4、本文设计内容

机械产品的轻型化、大功率化发展，对其性能安全提出了更高的要求。将 有限元技术和现行理论结合起来，对架桥机结构进行全面的分析评估，来提高 结构的安全可靠性，是本文的目的。本文以DF900型架桥机为研究对象，通过计算进行架桥机的结构设计，再运用有solidworks完成三位模型的建立，最后导入限元分析软件ANSYS对架桥机结构进行强度校核。主要工作如下：

（1）对DF900型架桥机的作业过程和各工况进行载荷分析，并据此对其进行各支反力和应力的计算。

（2）运用有限元分析软件ansys进行强度校核。

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第三章 总体设计

3-1设计依据

1. 《起重机设计规范》

2. 《起重机试验规范和程序》 3. 《起重机械安全规程》 4. 《钢结构设计规范》 5. 《装配件通用技术要求》 6. 《紧固件机械性能》 7. 《铁道架桥机架梁规程》 8. 《焊接件通用技术要求》

3-2、主要技术参数

1）整机参数 运架梁型 适应线路曲线分析 适应风力 适应工作环境 架梁理论作业时间 整机重量 整机配电功率 整机外形尺寸 2）架桥机 架梁方式 适应工作坡度 走行方式 走行速度 起重小车起升速度 起重小车起升高度 起重小车纵移微调距离 起重小车横移微调距离 吊点形式 3）运梁台车 台车形式 额定载重量 自重 走行速度 适应坡度 轴距 线距 双线单箱等跨及变跨铁路箱梁 6级（工作状况）、11级（非工作状态） 小时/片（不含运梁时间） （不含轮胎运梁车重量） （不含轮胎运梁车功率） 63.7m×17.7m×12.59m 单跨简支、定点提梁、微调就位 台车整体驮运 三点起吊四点平衡 轮胎式 重载，空载 纵坡，横坡 精品

轮胎数量 接地比压 外形尺寸 整车功率 60个 42m×68m×3.5m 3-3、主要结构设计

3-3-1、 主体结构

1） 主梁

主梁为由两片箱型纵梁和两根箱型横梁组成的整体简支承载梁，与前支腿、后支腿形成架梁承载和喂梁承载结构。主梁盖板上铺设有纵移天车运行轨道和起重天车微调轨道。根据变跨架设要求，主梁设计是预留32米跨、24米跨、20米跨支腿安装螺栓孔。

主梁结构尺寸采用有限元分析计算确定，单片纵梁长63.7米，高2.5米，宽1.3米，分为六个节段。单根横梁长5.7米，高1.5米，宽1.3米。纵梁和横梁均采用Q370D钢焊接而成。主梁结构各节段采用法兰板连接。在转场时可采用运梁车不解体驮运方案，长距离时采用运梁车解体驮运方案。 2） 后支腿

后支腿由一支腿根横梁、两根弯曲腿组成弯月型刚性门架，与主梁刚性连接。可直接通过混凝土箱梁，后支腿底部设有顶升油缸，可顶升架梁机满足天车梁纵移时的需要。后支腿设置有临时吊点，可通过纵移天车吊装至不同位置与主梁安装，实现架桥机20米、24米、32米变跨架设。

根据后支腿的受力工况和有限元分析确定，后支腿横梁长14米，高1米，宽1.8米，弯曲腿截面高0.9米，宽1.8米。均采用Q370D钢焊接而成。 3） 前支腿

前支腿由一根支腿横梁、两根支腿本体、分配梁、油缸组成刚性门架，与后支腿、主梁形成架梁承载结构，与主梁铰接连接。前支腿支腿横梁与支腿本体采用双轴销连接，拔除一个销轴后，通过油缸伸缩可推动支腿相对于横梁转动，从而实现架梁是前支腿刚性支撑。前支腿设置有临时吊点，可通过纵移天车吊装至不同位置与主梁安装，实现架梁机20米、24米、32米跨变跨架设。根据前支腿受力工况和有限元分析确定，前支腿横梁长8.7米，高1.5米，宽0.6米。前支腿结构均采用Q370D钢焊接而成。 4） 辅助支腿

辅助支腿由上横梁、支腿本体、油缸主组成变跨时的自重承载结构。辅助支腿与主梁刚性连接，随主梁在后支腿驱动下前移变跨。在前支腿到位时辅助定位。根据辅助支腿的受力工况和有限元分析确定，辅助支腿横梁长10.74米，高0.9米，宽6.8米。辅助支腿结构均采用Q370D钢焊接而成。

3-3-2、 起升系统

起升系统分为前、后起重天车，每台起重天车由4台10t慢速电动卷扬机及其底座、起重横梁、定滑轮组、动滑轮组、分配梁、吊具、起重钢丝绳等组成。起重天车固定安装在架梁机主梁上，动滑轮组与吊具通过分配梁铰接变八吊点为四吊点，前起重天车卷扬机起重钢丝绳通过平衡轮串联解决四吊点超静定问题，确保了落梁过程中梁体受载均匀和起升机构安全。为降低整机高度，起重天车和八台卷扬机布置在主梁跨中和两端，起重天车横梁和定滑轮组均采

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用鱼腹式结构。起重天车具有起升、纵移、横向三维动作功能，保证箱梁的准确对位安装。起升系统采用传统的点机—减速器—卷筒—滑轮组方式，纵向、横向微调采用油缸顶推滑移方式。起重卷扬机为内藏式卷扬机，采用变频器无极调速。卷扬机的高速轴和卷筒上均设置有制动装置，高速轴上采用液压推杆制动器作为常规运行制动，卷筒采用液压钳式制动器作为紧急制动，确定吊梁作业安全可靠。

3-3-3安全装置

① 架梁机纵向过孔限位装置。

② 起升机构重量限制器、高度限位器、电动卷扬机高速轴液压推杆制动

器、输出卷筒上采用制动力矩较大的钳盘式制动器。 ③ 前支腿升降幅油缸、拔插销油缸限位装置。 ④ 后支腿顶升油缸和所有吊点油缸机械锁死装置。 ⑤ 纵移天车、纵移托辊纵向运行限位装置。 ⑥ 风速报警装置

⑦ 高空检修、操作平台栏杆。

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第四章 设计计算

4-1、计算依据

1. 2. 3. 4.

《钢结构设计规范》 《起重机设计规范》 《机械设计手册》 《起重机设计手册》

4-2、支反力计算

架桥机简图

单位：m 5 2.7 2.9 32.7 34.45 图3-1

23.1 1.85 16.8 各符号含义：单位（t）

辅助支腿 工作风压 前支腿 非工作风压 后支腿 箱梁 主梁

前天车（位置不定） 后天车（位置不定）

（1）架梁机在自重作用下前支腿反力（前、后支腿支承，前、后天车位于后支腿）

（2）架梁机在自重作用下后支腿反力（前、后支腿支承，前、后天车位于后支腿）

（3）架梁机在自重作用下辅助支腿反力（辅助支腿、后支腿支承，前、后天车位于后支腿）

1、中、后支腿的相对距离为时

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2、中支腿与后支腿重合的时候

（4）架桥机在自重作用下后支腿反力（辅助支腿、后支腿支承，前、后天车位于后支腿）

1、中、后支腿的相对距离为时

2、中支腿与后支腿重合的时候

（5）架梁机前起重小车提升箱梁，前支腿反力（前、后支腿支承，前、后天车位于后支腿）

（6）架梁机前起重小车提升箱梁，后支腿反力（前、后支腿支承，前、后天车位于后支腿）

（7）架梁机后起重小车提升箱梁，前支腿反力（前、后支腿支承）

（8）架梁机后起重小车刚刚提升箱梁，后支腿反力（前、后支腿支承）

（9）架梁机的运梁小车将箱梁运至两桥墩正上方，前支腿反力（前、后支腿支承）

（10）架梁机的运梁小车将箱梁运至两桥墩正上方，后支腿反力（前、后支腿支承）

4-3、结构计算

4-3-1、倾覆稳定性计算

（1）架梁机非工作状态，抗倾覆稳定性 1、前、后支腿支承 倾覆力矩：

——主梁迎风面积

——主梁受风面积形心高 ——辅助支腿迎风面积

——辅助支腿受风面积形心高 ——前支腿迎风面积

——前支腿受风面积形心高

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——后支腿迎风面积

——后支腿受风面积形心高

2、辅助、后支腿支承

由以上计算可知，在工作和纵移状态下，架梁机的倾覆力矩系数均在设计要求内。故设计上可靠的。

（2）工作状态下抗倾覆稳定性

倾覆力矩：

——箱梁面积

——箱梁受风面积形心高

由计算可知，在工作状态下抗倾覆稳定性满足设计要求。设计可靠。

4-3-2、主梁结构计算

选取截面如图，材料选取，几何参数如下：

1300 20 1500 20 截面面积：

惯性矩：

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（1）连接螺栓计算

主梁仅在竖直方向上受力，如图所示：

217.5 F1 q F1 217.5 3445 ——天车起升箱梁荷载 ——主梁自重荷载 1、腹板螺栓计算 腹板惯性矩：

翼缘板惯性矩：

连接处总弯矩： 连接处剪力：

单根主梁腹板承受的弯矩：

单个螺栓垂直剪力：

在弯矩作用下螺栓所受的水平剪力：

最远螺栓所受剪力：

螺栓采用精制螺栓，剪力

螺栓为双剪，其中直径为，螺栓的许用剪切力为：

螺栓检算通过。

（2）面板螺栓计算

螺栓采用精制螺栓，螺栓为双剪，其中直径为， 翼缘板净面积：

面板净面积承受的轴向力：

单个螺栓承受剪力为：

螺栓检算通过

4-3-3、起重天车计算 （1）钢丝绳选型计算

1、钢丝绳破断拉力

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Y X

——卷扬机额定拉力

——钢丝绳安全系数，按工作级别计算，不小4.5，考虑起重量大，选取

2、钢丝绳选型

选用德国地帕特特种钢丝绳 钢丝绳直径： 计算破断力： 最小破断力： 实际安全系数：

满足设计要求。

（2）定滑轮组顶推计算

1、定滑轮组荷载：

——起升吊点荷载 ——定滑轮组质量

2、定滑轮组为4个滑轮支承，每个支承荷载为：

每个滑轮支承比压为：

——支承总长度为： ——支承总宽度：

选用郑州华龙滑移材料： 最大荷载比压： 静摩擦系数： 动摩擦系数：

（3）吊杆计算

1、许用应力

吊杆采用材料，屈服极限：，根据机械设计手册选取螺纹计算安全系数，，，，则：

2、应力计算

吊杆采用螺纹，主要参数如下： ,， ，

螺纹接合长度大于，按圈螺纹承载计算，则：

——吊杆承载 ——吊杆承载面积

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——吊杆螺纹承压面

——螺纹根部弯矩

——螺纹根部抗弯模量为：

——吊杆螺纹剪切面积

（4）吊杆附件计算

承压垫板采用，其中屈服极限为，取安全系数为，许用应力为，，承压垫板悬臂计算，展开后悬臂长为宽为。承压垫板承压均布荷载：

——承压垫板承压面积 承压垫板剪力：

承压垫板弯矩：

——承压垫板悬臂长度 承压垫板剪应力：

——承压垫板悬臂截面面积 承压垫板弯曲应力：

——承压垫板悬臂抗弯模量

——悬臂宽度 ——悬臂厚度

（5）卷扬机选型

1、起升吊点荷载

——单吊点额定起重量 ——动滑轮组及吊具重量

2、卷扬机额定拉力

——起升吊点荷载 ——滑轮组倍率 ——总滑轮组效率

——滑轮效率0.98 3、卷扬机额定速度

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第五章 静力分析

5-1、工况说明

主金属结构计算分五种工况，各工况所受载荷及载荷作用位置详见各节。 五种工况包括：

①非工作状态，整机抗风能力。

②前起重行车吊粱起升时，整机稳定性能。

③前起重行车吊梁前行至跨中位置时，主梁的强度计算。

④前起重行车吊梁前行至一定位置，后起重行车吊梁起升时，后支腿的强 度计算。

⑤前、后起重行车吊梁前行至落粱位置时，前支腿的强度与稳定性计算。 由以上计算可以确定架桥机最不利的工况为：

（1）主梁最不利的工况为：前、后天车提升混凝土箱梁； （2）前支腿最不利工况为：前、后天车提升混凝土箱梁； （3）后支腿最不利工况为：架桥机前天车提升梁体； 因此，架桥机利用验算主要内容包括：

（1） 架桥机前天车在起吊混凝土梁，架桥机后支腿支承与主梁的应力和变

形；

（2） 架桥机在前天车提起混凝土梁至主梁中部（后天车未提起混凝土梁），

后支腿和主梁结构的应力和变形。

（3） 架桥机在前天车提起混凝土梁、后天车刚提起混凝土梁，后支腿和主梁

结构的应力和变形。

（4） 架桥机起吊混凝土梁至落梁位置，前支腿和主梁结构的应力和变形。

5-2、各工况的载荷分析

架桥机架梁时要完成吊梁起升、吊梁运行、横向位置调整、落梁四种动作，施工要求，四种动作单独实现，无组合动作。本文参照起重机设计规范

GB3811．83 3．3载荷分类与载荷组成结合架桥机的实际情况确定了架桥机的计算载荷，各种计算工况都有三种载荷组合，即载荷组合I、载荷组合Ⅱ、载荷组合IⅡ，载荷组合I包括起升载荷、自重载荷、水平惯性载荷等基本载荷，该组合下安全系数取为1．5；载荷组合II包括上述基本载荷与偏斜运行侧向力、工作状态风载等附加载荷共同作用，该组合下安全系数取为1．33；载荷组合m包括基本载荷、附加载荷与非工作状态风载、试验载荷等特殊载荷，该组合下安全系数为1．15。每种载荷组合又有多种组合方式，每种组合方式都应计算，通过比较确定最不利情况，该情况下应满足强度和稳定性要求，各种计算载荷起重机设计规范都有明确的计算公式及确定方法。

5-3、有限元分析

5-3-1、简介

有限元分析软件是有限元公司的主要产品，该公司由John Swanson博士创建于1970年。该程序的主要特点是功能齐全，工程应用覆盖面广。是一种广泛

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的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。

5-3-2、架桥机结构分析

根据架桥机大部分结构都是钢箱梁的特点，在构建模型时采用有限元程序提供的板单元。同时构建模型采取必要的简化和设置：在整体过程中不参与受力的构件一律只以等效的集中力替代，在受力位置设置必要的隔板而在其余地方则略去，单元网格划分采用自由网格划分，整体共73066个单元。 网格划分如图5-1所示：

图5-1

1、架桥机前天车起吊900t混凝土箱梁时的强度分析。此工况是架桥机主梁后部分在竖直向下方向位移偏移量最大的工况，并且后支腿部分应力较大。由图5-2、5-3可以看出，后支腿最大应力值为，主梁后部竖直向下方向的最大位移偏移量为。

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图5-2 前天车起吊箱梁的应力图

图5-3 前天车起吊箱梁的位移图

2、架桥机前天车起吊900t混凝土箱梁至主梁中部时的强度分析。此工况是架桥机主梁中部在竖直向下方向位移偏移量最大的工况，并且也是主梁部分应力

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最大的工况，所以此工况是主梁最不利的工况。由图5-4、5-5可以看出，主梁最大应力值为，主梁后部竖直向下方向的最大位移偏移量为。

图5-4 前天车起吊箱梁至主梁中部的应力图

图5-5 前天车起吊箱梁至主梁中部的位移图

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3、架桥机在前天车提起900t混凝土箱梁至一定位置、后天车刚提起900t混凝土箱梁时的强度分析。此工况是架桥机后支腿最不利工况，由变形图可以看出主梁在后支腿支撑作用下，主梁后部和中部变形方向是竖直方向向下，造成的位移偏移量最大值为，且最大应力产生在最支腿与主梁接触部分，最大应力值为 。

图5-6 前天车起吊箱梁至一定位置、后天车起吊箱梁的应力图

图5-7 前天车起吊箱梁至一定位置、后天车起吊箱梁的位移图

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4、架桥机起吊900t混凝土梁至落梁位置时的强度分析。此工况是对架桥机前支腿部分最不利的工况。此工况主要是由前支腿、后支腿支撑，且前支腿相对于后支腿较薄弱，此工况下前支腿最大应力值为，此工况下主梁中部变形方向是竖直向下，且最大偏移量为。

图5-8 前后天车行至落梁位置的应力图

图5-9前后天车行至落梁位置的位移图

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根据结果，列出下表： 构件名称 最大应力 最大位移 许用应力 主梁 230 41.6 280 后支腿 196.8 370 前支腿 299.9 370 精品

第六章 拼装、应用

6-1、拼装设计

（1）拼装必须严格按照拼装工艺执行。负责架桥机安装的工程技术人员必须仔细研究架桥机总装图和各部件图纸，严格按照安装顺序工艺图纸指导安装人员进行工作。

（2）安装技术工必须熟悉架桥机机构、技术特征。

（3）主要结构件高强度螺栓安装应按高栓施工工艺进行。 （4）所有结构的焊件应严格按照焊接工艺进行。 （5）吊装时应严格遵守起重机械安全操作规程。

（6）架桥机各连接销轴均应安装到位，各连接螺栓穿戴方向必须朝向内侧，防止螺栓锈蚀，各连接螺栓均应拧紧。

（7）架桥机就位前，必须在桥墩及已架梁上放出各支腿就为中心线，就位误差不得大于。

（8）架桥机就位后，辅助、中、后支腿各支撑处必须用钢垫块垫牢固可靠，后支腿分配梁正中位置必须垫硬木板分配载荷。 （9）拼装顺序：

支腿拼装 辅助支腿拼装 中支腿拼装 后支腿拼装 主梁拼装 安装纵移天车 安装前起重小车 安装后起重小车

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6-2、应用设计

（1） 中支腿拔、插内侧销轴时，展翼油缸必须顶推到位，确保内侧销轴不受/

径向力。

（2） 前支腿顶升时，运架梁机前台车必须与轨道锁死。 （3） 架桥机起吊作业时，所有油缸均不得受力。

（4） 架桥机起吊作业时，各卷扬机滚筒上钢丝绳必须排列整齐、密实。 （5） 架桥机起升卷扬机联动时，各卷扬机滚筒上钢丝绳圈数应完全一样。 （6） 进行起升操作时，每台卷扬机均应安排人员观察卷扬机的排绳及其它异

常情况。提升箱梁到位、起重卷扬机挺稳后，操作人员方可进行调整、拼装。

（7） 吊具螺杆安装好后，吊杆分配梁必须保证水平。

（8） 架桥机工作时，四吊点必须同步，确保被起升混凝土梁始终水平。 （9） 操作司机应该经常全面细致检查架桥机，发现异常情况及时修复。 （10）操作司机应经常检查各润滑点的润滑情况，并定时加钠基润滑脂。

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结 论

本文介绍了架桥机的结构及其工作过程，在此基础上建立了架桥机的有限元模型，分别选择架桥机的四种不利工况，对架桥机结构进行了静力分析，得出结论，在各种工况下，架桥机的最大应力均不超过其许用应力；对主梁产生的应力和位移进行了详细讨论，在设计时注意使后支腿处的拐角增大，力求平滑过渡，即可减小其局部应力集中现象，必要时可以适当增加该处的钢板厚度。

在此非常感谢对督促和帮助过我们的殷俊老师和李春林老师！

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参考文献

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[2] 李兵;陈雪峰;卓颉，ANSYS工程应用，北京:清华大学出版社,2010.11. [3] 丁毓峰，ANSYS 12.0有限元分析完全手册，北京:电子工业出版社,2011.1. [4] 杨永谦;肖金生;刘杰，实用有限元分析技术:ANSYS专题与技巧，北京:机械工业出版社,2010.6.

[5] 二代龙震工作室，SolidWorks 2009高级设计，北京:清华大学出版社,2009.8. [6] 李大磊;赵玉奇;张志林，SolidWorks高级功能与工程应用，北京:北京邮电大学出版社,2009.9.

[7]《起重机设计规范》 GB3811-83 [8]《钢结构设计规范》 GBJ 17-88 [9]《紧固件机械性能》 GB 3098-82

[10]《装配件通用技术要求》 JB/ZQ 4000.9-86

[11]赵健;张学滨，架桥机结构设计的有限元分析，《起重运输机械》，2009. [12] 陈浩;吴耀辉;张志华;韩 军，铁路客运专线900t箱梁提运架设备研究，《铁道标准设计》，2008.

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